A quale specifica combinazione di concentrazione caustica e temperatura superficiale della guaina una guaina in acciaio inossidabile 316 da 1,6 millimetri passa dalla corrosione passiva a quella attiva nel servizio con idrossido di sodio per i sistemi CIP?

Gli ingegneri di processo che costruiscono riscaldatori elettrici a immersione per sistemi clean-in-per la lavorazione degli alimenti, la produzione farmaceutica e la produzione di bevande utilizzano l'idrossido di sodio come principale prodotto chimico detergente. Le soluzioni CIP tipiche sono costituite da 1-3% di NaOH a 70-85 gradi. In questa situazione si forma la pellicola passiva e, in generale, la resistenza alla corrosione dell'acciaio inossidabile 316 è buona. Tuttavia, a concentrazioni più elevate o temperature superficiali più elevate dovute alla densità di watt del riscaldatore, il film passivo può rompersi e può verificarsi corrosione attiva con velocità superiori a 1 millimetro all'anno. Gli spessori tipici delle pareti dei riscaldatori CIP sono 1,6 mm, offrendo un compromesso ragionevole tra tolleranza alla corrosione e reattività termica. Il documento stabilisce la concentrazione caustica e la temperatura superficiale della guaina nel punto in cui una guaina 316 da 1,6 mm cambia da corrosione passiva ad attiva in servizio con idrossido di sodio.

316 Transizione dell'idrossido di sodio da passivo ad attivo
L'idrossido di sodio è unico tra le soluzioni alcaline in quanto il comportamento alla corrosione dell'acciaio inossidabile 316 mostra una chiara transizione passiva-attiva che dipende sia dalla concentrazione che dalla temperatura. In soluzioni diluite al di sotto del 5% di NaOH e a temperature inferiori a 80°C, il 316 rimane passivo con tassi di corrosione inferiori a 0,05 mm all'anno. Man mano che la concentrazione aumenta o la temperatura aumenta, il film passivo diventa instabile. Al 10% di NaOH la temperatura di transizione è di circa 90 gradi. Diminuisce a 75°C 20% NaOH. Al 30% di NaOH il valore scende a 60 gradi. Al 50% di NaOH, oltre i 40 gradi il range passivo svanisce completamente. La temperatura della superficie della guaina è generalmente di 15–30 gradi superiore alla temperatura della soluzione sfusa per un riscaldatore a immersione a causa della densità di watt applicata. Un sistema CIP con il 3% di NaOH e una temperatura di massa di 80 gradi con un riscaldatore di 8 W/cm² fornisce una temperatura superficiale della guaina di 95-105 gradi. Il rivestimento passivo del 316 può rompersi a questa temperatura superficiale e la corrosione attiva avviene a velocità di 0,5–2 mm all'anno. La corrosione attiva forerà una guaina da 1,6 mm in 1-3 anni, tuttavia il funzionamento passivo garantirà 10+ anni di servizio.

Soglie di transizione critica per guaina da 1,6 mm
I test elettrochimici di 316 campioni in soluzioni di idrossido di sodio alle temperature relative al servizio CIP hanno dimostrato che le seguenti combinazioni di concentrazione caustica in massa e temperatura superficiale della guaina causeranno la transizione da passivo-a-attivo per una parete da 1,6 mm. I valori si riferiscono alla lucidatura di superfici pressate standard e ad una densità di watt tipica di 6–8 W/cm².

Concentrazione di idrossido di sodio (%) Temperatura di transizione da passivo ad attivo Temperatura superficiale minima della guaina per la corrosione attiva Temperatura di sicurezza in massa per guaina da 1,6 mm a 8 W/cm2 (aumento di 25 gradi) Tasso di corrosione previsto in regime attivo
1 – 2% >100 gradi 100 gradi 75 gradi 0,3 – 0,7 mm/anno
2 – 3% 95 – 100 gradi 95 – 100 gradi Fino a 70 – 75 gradi 0,5 – 1,0 mm/anno
3 – 5% 85 – 95 gradi 85 – 95 gradi Fino a 60 – 70 gradi 0,8 – 1,5 mm/anno
5 – 7% 75 – 85 gradi 75 – 85 gradi Fino a 50 – 60 gradi 1,0 – 2,0 mm/anno
7 – 10% 65 – 75 gradi 65 – 75 gradi Fino a 40 – 50 gradi 1,5 – 3,0 mm/anno
10 – 15% 55 – 65 gradi 55 – 65 gradi Fino a 30 – 40 gradi 2,0 – 4,0 mm/anno
> 15% < 55 degrees CBelow 55°C Not safe at any useful temperature>3,0 mm/anno
Per un sistema CIP con una temperatura complessiva di 80 gradi e NaOH al 2% utilizzando una guaina da 1,6 mm a 8 W/cm2, la temperatura superficiale della guaina è di circa 105 gradi, superiore alla soglia di transizione di 100 gradi. Si verificherà una corrosione attiva e la guaina potrebbe perforarsi in 1-2 anni. Abbassando la densità di watt a 4 W/cm², si riduce l'aumento della temperatura superficiale a 12–15 gradi mentre la temperatura della guaina rimane a 92–95 gradi, che è inferiore alla soglia di 100 gradi. Questa modifica consente 5-10 anni di durata.

Involucro operativo sicuro con guaina da 1,6 millimetri nel servizio CIP caustico
La tabella seguente fornisce la concentrazione massima consentita di idrossido di sodio in massa per una guaina 316 da 1,6 mm a varie temperature di massa e densità di watt. Per determinati valori di concentrazione, la temperatura superficiale della guaina viene mantenuta almeno 5 gradi al di sotto della temperatura di transizione da passiva-a-attiva.

Temperatura della soluzione sfusa Densità Watt 4 W/cm2 (aumento di 12 gradi) Densità Watt 6 W/cm2 (aumento di 18 gradi) Densità Watt 8 W/cm2 (aumento di 25 gradi) Densità Watt 10 W/cm2 (aumento di 32 gradi) 60 gradi Sicuro fino al 10% NaOH Sicuro fino al 7% NaOH Sicuro fino al 5% NaOH Sicuro fino al 3% NaOH 65 gradi Sicuro fino all'8% NaOH Sicuro per cento a 5 NaOH Sicuro fino al 3% NaOH Sicuro fino al 2% NaOH 70 gradi Sicuro fino al 6% NaOH Sicuro fino al 4% NaOH Sicuro fino al 2% NaOH Non sicuro oltre l'1% 75oC Non sicuro oltre il 5% NaOH max 3%, sicuro NaOH Sicuro fino all'1,5% NaOH Non sicuro oltre l'1% 80 gradi Sicuro fino al 4% NaOH sicuro fino al 2% NaOH Non sicuro oltre l'1,5% Non sicuro 85 gradi Sicuro fino al 3% NaOH Fino all'1,5% NaOH sicuro Non sicuro Non sicuro
Sicuro a 90 gradi fino al 2% NaOHNon sicuro oltre l'1% Non sicuro Non sicuro
Per un tipico ciclo CIP a 80 gradi con il 2% di NaOH, una guaina in 316 da 1,6 mm è sicura solo a densità di watt pari o inferiori a 4 W/cm2. Con una densità di watt industriale di 8 W/cm² il riscaldatore sarà in regime di corrosione attiva e si dovrebbe prevedere una durata operativa limitata di 1–3 anni anziché i 5–10 anni spesso ipotizzati.

Modifiche alla progettazione delle operazioni passive
È possibile apportare tre modifiche progettuali per preservare il funzionamento passivo senza modificare il materiale della guaina in condizioni di processo CIP che altrimenti costringerebbero una guaina 316 da 1,6 mm alla corrosione attiva (ad esempio, concentrazioni o temperature caustiche): il primo metodo consiste nell'aumentare la lunghezza riscaldata dell'elemento per ridurre la densità di watt. Raddoppiando la lunghezza (da 1 m a 2 m) si riduce l'aumento della temperatura superficiale della guaina da 25 gradi a 12 gradi e si ritorna al funzionamento passivo quando la densità di watt viene ridotta da 8 W/cm2 a 4 W/cm2 . La seconda regolazione serve a migliorare la circolazione sulla superficie del riscaldatore. A parità di densità di watt, l'aumento della temperatura superficiale può essere ridotto a 8–10 gradi con una velocità di 2–3 m/s utilizzando una pompa di circolazione CIP. La modifica finale è l'aggiunta di un inibitore di corrosione alla soluzione caustica. Silicati o fosfati a concentrazioni comprese tra 100 e 200 ppm possono stabilizzare la pellicola passiva su 316 e aumentare la temperatura di transizione da 10 a 20 gradi. Ma questi cambiamenti probabilmente non saranno sufficienti per i sistemi CIP che richiedono il 5% di NaOH a 80°C. In questi casi l'ingegnere dovrebbe specificare l'uso di una lega a base di nichel-come la lega 600 o la lega 825, che sono passive in soluzioni caustiche fino a una concentrazione del 50% a temperature superiori a 100 gradi. Il costo dell'aggiornamento da 316 a Alloy 825 è in genere 2-3 volte maggiore, ma la durata utile aumenta da 1-2 anni a 10-15 anni. Comunicare sempre al fornitore quando si specificano i riscaldatori per il servizio CIP: la concentrazione massima di sostanza caustica, la temperatura della massa e il tempo di ciclo previsto. Quando un produttore suggerisce 316 per NaOH al 5% a 85 gradi C senza alcuna considerazione della transizione passivo-attivo o del declassamento per la densità di watt, questo non è un consiglio tecnico appropriato. Il passaggio dalla corrosione passiva a quella attiva nell'idrossido di sodio è brusco ed è funzione della temperatura. Una guaina 316 di spessore 1,6 mm operante appena al di sotto della soglia può persistere per dieci anni; uno che opera appena oltre potrebbe fallire in 18 mesi. Per ottenere specifiche affidabili è necessaria un'analisi termica accurata della temperatura superficiale della guaina.